DE102018212200A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Optimierung der von einer elektrischen Maschine im Schubbetrieb eines Fahrzeugs erzeugten elektrischen Leistung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft Vorrichtung zur Optimierung der von einer elektrischen Maschine (13) im Schubbetrieb eines Fahrzeugs erzeugten elektrischen Leistung, umfassend ein Modul (1) zur Berechnung eines gesamten Rekuperationsmoments (M) oder einer dazu proportionalen Größe auf dessen bzw. deren Basis die elektrische Maschine (13) im Generatorbetrieb betrieben wird. Das Modul (1) ist erfindungsgemäß so eingerichtet ist, dass es wenigstens folgende Funktionen ausführt:- Vergleichen des an wenigstens einem Rad des Fahrzeugs vorliegenden Radschlupfes (S) mit einem vorgegebenen Schwellenwert (SW);- Reduzieren des gesamten Rekuperationsmoments (M) um einen geringen Betrag (-ΔM), wenn der ermittelte Radschlupf (S) kleiner ist als der vorgegebene Schwellenwert (SW); und- Erhöhen des gesamten Rekuperationsmoments (M) um einen geringen Betrag (+ΔM), wenn der ermittelte Radschlupf (S) größer ist als der vorgegebene Schwellenwert (SW); wobei das Reduzieren oder Erhöhen des gesamten Rekuperationsmoments (M) in einem iterativen Verfahren mit mehreren aufeinanderfolgenden Iterationsschritten durchgeführt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Optimierung der von einer elektrischen Maschine im Schubbetrieb eines Fahrzeugs erzeugten elektrischen Leistung, umfassend ein Modul zur Berechnung eines gesamten Rekuperationsmoments oder einer dazu proportionalen Größe, auf dessen bzw. deren Basis die elektrische Maschine im Generatorbetrieb betrieben wird.
  • Bekannte Fahrzeuge mit einem elektrischen Antrieb, wie z.B. reine Elektrofahrzeuge oder Hybridfahrzeuge, umfassen in der Regel ein Rekuperationssystem, mit dem bei einer Verzögerung des Fahrzeugs ein Teil der kinetischen Energie wieder zurückgewonnen werden kann (Rekuperation). Während der Rekuperation wird der elektrische Antrieb bzw. eine elektrische Maschine im Generatorbetrieb betrieben und kann somit die bei der Verzögerung des Fahrzeugs frei werdende kinetische Energie in elektrische Energie wandeln. Die gewonnene elektrische Energie wird in einem elektrischen Energiespeicher, wie z.B. der Batterie des Fahrzeugs, gespeichert und kann in anderen Fahrsituationen dann wieder zum Antrieb des Fahrzeugs oder zur Versorgung elektrischer Verbraucher genutzt werden. Die Rekuperation verbessert insbesondere den Wirkungsgrad des Fahrzeugs, da nur noch ein relativ kleiner, verbleibender Anteil der Verzögerung durch die Betriebsbremse in Verlustwärme umgesetzt wird.
  • Beim regenerativen Bremsen erzeugt die elektrische Maschine ein Schleppmoment, das bremsend auf die Räder des Fahrzeugs wirkt. In kritischen Fahrbedingungen, wie z.B. bei vereister oder regennasser Fahrbahn, kann dies dazu führen, dass sich der Radschlupf an einem oder mehreren Rädern erhöht und das Fahrzeug in eine instabile Grenzsituation gerät, welche das Eingreifen eines Fahrstabilitätsprogramms (ESP) notwendig macht.. Um dies zu verhindern, wird daher bei herkömmlichen Rekuperationssystemen das von der elektrischen Maschine ausgeübte Schleppmoment eher auf konservative, niedrige Werte eingestellt. Dadurch wird aber die maximal mögliche Rekuperation in den allermeisten Fahrsituationen nur teilweise ausgenutzt. Der übrige Anteil der gewünschten Fahrzeugverzögerung wird durch die Betriebsbremse gleistet, worunter natürlich die Effizienz des Systems leidet.
  • Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Effizienz eines Rekuperationssystems zum Rückgewinnen elektrischer Energie zu verbessern.
  • Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Gemäß der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Optimierung der von einer elektrischen Maschine im Schubbetrieb eines Fahrzeugs erzeugten elektrischen Leistung vorgeschlagen, umfassend ein Modul zur Berechnung eines gesamten Rekuperationsmoments oder einer dazu proportionalen Größe auf dessen bzw. deren Basis die elektrische Maschine im Generatorbetrieb betrieben wird. Das Modul ist dabei derart eingerichtet, dass es wenigstens folgende Funktionen ausführt:
    • - Vergleichen des an wenigstens einem Rad des Fahrzeugs vorliegenden Radschlupfes mit einem vorgegebenen Schwellenwert;
    • - Reduzieren (bzw. betragsmäßiges Erhöhen) des gesamten Rekuperationsmoments um einen geringen Betrag, wenn der ermittelte Radschlupf kleiner ist als der vorgegebene Schwellenwert (Anmerkung: das gesamte Rekuperationsmoment ist ein Wert kleiner Null, so dass es betragsmäßig größer wird, wenn es reduziert wird); und
    • - Erhöhen (bzw. betragsmäßiges Reduzieren) des gesamten Rekuperationsmoments um einen geringen Betrag, wenn der ermittelte Radschlupf größer ist als der vorgegebene Schwellenwert;
    wobei das Reduzieren oder Erhöhen des gesamten Rekuperationsmoments in einem iterativen Verfahren mit mehreren aufeinanderfolgenden Iterationsschritten durchgeführt wird.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ermittelt das Modul ein so genanntes zulässiges Rekuperationsmoment, das die Grundlage für die Berechnung des gesamten Rekuperationsmoments bildet. Das zulässige Rekuperationsmoment kann z. B. abhängig von verschiedenen Fahrzustandsgrößen aus einem Kennfeld ermittelt oder durch einen Algorithmus berechnet werden, wie dies im Stand der Technik üblich ist.
  • Gemäß der Erfindung ermittelt das Modul aus den in den einzelnen Iterationsschritten ermittelten Reduzierungs- oder Erhöhungsbeträgen einen akkumulierten Korrekturwert, mit dem das zulässige Rekuperationsmoment dann korrigiert wird, um daraus das genannte gesamte Rekuperationsmoment zu bestimmen.
  • Die einzelnen Reduzierungsbeträge können alle gleich groß oder, abhängig von der Fahrsituation, wie z. B. der Geschwindigkeit des Fahrzeugs, der Höhe des Radschlupfes oder anderen Parametern, unterschiedlich groß sein. Gleiches gilt auch für die Erhöhungsbeträge. Die Reduzierungsbeträge sind aus Sicherheitsaspekten vorzugsweise betragsmäßig größer gewählt als die Erhöhungsbeträge.
  • Der in einer Schubphase des Fahrzeugs zuletzt berechnete, kumulierte Korrekturwert wird vorzugsweise gespeichert und bildet dann den Startwert für die Korrektur des zulässigen Rekuperationsmoments in einer nachfolgenden, neuen Schubphase des Fahrzeugs.
  • Gemäß der Erfindung kann das gesamte Rekuperationsmoment z. B. durch Addition des zulässigen Rekuperationsmoments und des Korrekturwerts ermittelt werden. Das Ergebnis kann schließlich noch weiter verarbeitet werden.
  • Das genannte erfindungsgemäße Modul ist vorzugsweise mit einer Steuerelektronik zur Ansteuerung der elektrischen Maschine, wie z. B. einem aus dem Stand der Technik bekannten Inverter, verbunden.
  • Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Optimierung der von einer elektrischen Maschine im Schubbetrieb eines Fahrzeugs erzeugten elektrischen Leistung, wobei im Rahmen des Verfahrens ein gesamtes Rekuperationsmoment oder eine dazu proportionale Größe berechnet wird, auf dessen bzw. deren Basis die elektrische Maschine im Generatorbetrieb betrieben wird. Gemäß der Erfindung umfasst das Verfahren wenigstes folgende Schritte:
    • - Vergleichen des an wenigstens einem Rad des Fahrzeugs vorliegenden Radschlupfes mit einem vorgegebenen Schwellenwert;
    • - Reduzieren (bzw. betragsmäßiges Erhöhen) des gesamten Rekuperationsmoments um einen geringen Betrag, wenn der ermittelte Radschlupf kleiner ist als der vorgegebene Schwellenwert; und
    • - Erhöhen (bzw. betragsmäßiges Reduzieren) des gesamten Rekuperationsmoments um einen geringen Betrag, wenn der ermittelte Radschlupf größer ist als der vorgegebene Schwellenwert;
    wobei das Reduzieren oder Erhöhen des gesamten Rekuperationsmoments in einem iterativen Verfahren mit mehreren aufeinanderfolgenden Iterationsschritten durchgeführt wird.
  • Gemäß der Erfindung wird das Verfahren unterbrochen und ein anderes gesamtes Rekuperationsmoment eingestellt, wenn ein Fahrzeug-Stabilitätsprogramm aktiv ist.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnung beispielhaft näher erläutert.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems zur Rekuperation elektrischer Energie im Schubbetrieb eines Fahrzeugs. Das Fahrzeug umfasst eine elektrische Maschine 13, die in einer Schubphase des Fahrzeugs im Generatorbetrieb betrieben wird und einen Teil der bei der Verzögerung des Fahrzeugs frei werdenden kinetischen Energie in elektrische Energie wandelt. Die elektrische Maschine 13 erzeugt im Generatorbetrieb ein Schleppmoment, das bremsend auf das bzw die damit verbundenen Räder wirkt.
  • Die Höhe des von der elektrischen Maschine 13 ausgeübten Schleppmoments wird von einer Leistungselektronik 12 eingestellt. Zur Regelung der elektrischen Maschine 13 kann die Leistungselektronik 12 beispielsweise eine Erregerspannung der elektrischen Maschine 13 oder einen Phasenwinkel zwischen Strom und Spannung variieren. Verschiedene Methoden zur Modifikation der generatorischen Leistung einer elektrischen Maschine sind aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt.
  • Die Leistungselektronik 12 ist an ihrem Eingang mit einem Modul 1 zur Optimierung der von der elektrischen Maschine 13 erzeugten elektrischen Leistung verbunden. Das genannte Modul 1 gibt an seinem Ausgang ein gesamtes Rekuperationsmoment MR,ges oder eine dazu proportionale Größe aus, die das gesamte Rekuperationsmoment MR,ges repräsentiert und auf deren Grundlage dann die generatorische Leistung der elektrischen Maschine 13 eingestellt wird.
  • Bei dem Modul 1 kann es sich beispielsweise um ein beliebiges Steuergerät oder eine andere Steuereinheit handeln, auf dem bzw. der eine Software verarbeitet wird, die das vorstehend genannte gesamte Rekuperationsmoment MR,ges ermittelt.
  • Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform wird das gesamte Rekuperationsmoment MR,ges im Prinzip wie folgt ermittelt: Zunächst wird ein so genanntes zulässiges Rekuperationsmoment MR,zul vorgegeben, das die Grundlage für die spätere Berechnung des gesamten Rekuperationsmoments MR,ges bildet. Das zulässige Rekuperationsmoment MR,zul kann beispielsweise durch ein Kennfeld 5 vorgegeben werden, das verschiedene Fahrzustandsgrößen berücksichtigt, wie beispielsweise eine am Getriebeausgang vorliegende Drehzahl nG , eine Raddrehzahl nRad , Umgebungsbedingungen, wie z.B. Temperatur oder Nässe, etc.. Das anhand des Kennfeldes 5 ermittelte zulässige Rekuperationsmoment MR,zul wird durch einen in einem iterativen Verfahren ständig neu berechneten Korrekturwert ΔMR,korr korrigiert.
  • Im dargestellten Ausführungsbeispiel werden das zulässige Rekuperationsmoment MR,zul und der kumulierte Korrekturwert ΔMR,korr an einem Knoten 6 addiert. Das Ergebnis wird dann mit dem Faktor -1 (Block 7) multipliziert, um ein vom Vorzeichen physikalisch richtiges gesamtes Rekuperationsmoment MR,ges zu erhalten. Der Multiplikator ist schematisch mit dem Bezugszeichen 8 bezeichnet.
  • In Block 9 wird überprüft, ob sich das Fahrzeug im Schubbetrieb befindet. Solange der Fahrer das Fahrpedal FP betätigt, wird das entsprechende, vom Fahrer am Fahrpedal FP vorgegebene Fahrerwunschmoment von einem Block 10 ausgegeben. Sofern der Fahrer das Fahrpedal FP nicht betätigt und sich das Fahrzeug somit im Schubbetrieb befindet, gibt der Blog 10 das zuvor berechnete gesamte Rekuperationsmoment aus. Für den Fall, dass das Fahrzeugstabilitätsprogramm (ESP) aktiv ist, wird dem vom Block 10 ausgegebenen Moment an einem nachfolgenden Knoten 11 noch ein vom Fahrzeugstabilitätsprogramm ESP angefordertes Moment hinzugefügt. Die resultierende Größe wird dann einem Inverter 12 zugeleitet, der dementsprechend die elektrische Maschine 13 stellt.
  • Bei dem vorstehend genannten Korrekturwert ΔMR,korr , der zu dem zulässigen Rekuperationsmoment MR,zul hinzu addiert wird, handelt es sich um einen kumulierten (positiven) Wert, der in einem iterativen Verfahren ermittelt und in jedem Iterationsschritt neu berechnet und gespeichert wird. Der Korrekturwert ΔMR,korr ist im dargestellten Ausführungsbeispiel ebenfalls ein positiver Wert und wird im Wesentlichen wie folgt ermittelt: In Schritt 2 wird verglichen, ob der an wenigstens einem Rad vorliegende Radschlupf größer ist als ein vorgegebener Schwellenwert SW oder ob das Fahrzeug Stabilitätsprogramm ESP aktiv ist. Sofern eine der beiden Bedingungen erfüllt ist, wird ein kleiner Reduktionswert -ΔMR ausgegeben, der dann von einem Lernalgorithmus 4 verarbeitet wird, welcher aus dem bisherigen Korrekturwert ΔMR,korr und dem Reduktionswert -ΔMR einen neuen Korrekturwert ΔMR,korr ermittelt. Wenn sich das Fahrzeug im Schubbetrieb befindet und beispielsweise ein Radschlupf auftritt, so wird der Korrekturwert ΔMR,korr pro Zeitinkrement beispielsweise um einen Betrag erniedrigt. Dies erfolgt so lange, bis der Radschupf kleiner als der Schwellenwert SW geworden ist.
  • In Schritt 3 wird verglichen, ob der an wenigstens einem Rad vorliegende Radschlupf S kleiner ist als ein vorgegebener Schwellenwert SW und ob gleichzeitig das Fahrzeugstabilitätsprogramm ESP ausgeschaltet ist. Sofern beide Bedingungen erfüllt sind, wird ein kleiner Erhöhungswert +ΔMR ausgegeben, der dann vom Lernalgorithmus 4 verarbeitet wird, welcher aus dem bisherigen Korrekturwert ΔMR,korr und dem Erhöhungswert +ΔMR wiederum einen neuen Korrekturwert ΔMR,korr ermittelt. Wenn sich das Fahrzeug im Schubbetrieb befindet und kein Radschlupf S auftritt, so wird der Korrekturwert ΔMR,korr pro Zeitinkrement beispielsweise um den entsprechenden Betrag erhöht. Dies erfolgt so lange, bis ein Radschupf S auftritt, der größer ist als der Schwellenwert SW. Der generatorische Anteil an einer Fahrzeugverzögerung wird damit kontinuierlich größer, und der Anteil der Betriebsbremse entsprechend kleiner, wodurch die Effizienz des Fahrzeugs gesteigert werden kann.
  • Der letzte kumulierte Korrekturwert ΔMR,korr innerhalb einer Schubphase des Fahrzeugs wird vom Lernalgorithmus 4 vorzugsweise als neuer Korrekturwert ΔMR,korr betriebspunktabhängig gespeichert. In einer neuen Schubphase des Fahrzeugs kann der zuletzt gespeicherte Korrekturwert ΔMR,korr als neuer Startwert für die Korrektur des gesamten Rekuperationsmoments MR,ges herangezogen werden.

Claims (8)

  1. Vorrichtung zur Optimierung der von einer elektrischen Maschine (13) im Schubbetrieb eines Fahrzeugs erzeugten elektrischen Leistung, umfassend ein Modul (1) zur Berechnung eines gesamten Rekuperationsmoments (MR,ges) oder einer dazu proportionalen Größe auf dessen bzw. deren Basis die elektrische Maschine (13) dann im Generatorbetrieb betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Modul (1) so eingerichtet ist, dass es wenigstens folgende Funktionen ausführt: - Vergleichen des an wenigstens einem Rad des Fahrzeugs vorliegenden Radschlupfes (S) mit einem vorgegebenen Schwellenwert (SW); - Reduzieren des gesamten Rekuperationsmoments (MR,ges) um einen geringen Betrag (-ΔMR), wenn der ermittelte Radschlupf (S) kleiner ist als der vorgegebene Schwellenwert (SW); und - Erhöhen des gesamten Rekuperationsmoments (MR,ges) um einen geringen Betrag (+ΔMR), wenn der ermittelte Radschlupf (S) größer ist als der vorgegebene Schwellenwert (SW); wobei das Reduzieren oder Erhöhen des gesamten Rekuperationsmoments (MR,ges) in einem iterativen Verfahren mit mehreren aufeinanderfolgenden Iterationsschritten durchgeführt wird.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Modul (1) aus den in den einzelnen Iterationsschritten ermittelten Reduzierungs- oder Erhöhungswerten (-ΔMR, +ΔMR) einen Korrekturwert (ΔMR,korr) ermittelt, mit dem ein vorgegebenes zulässiges Rekuperationsmoment (MR,zul) korrigiert und das genannte gesamte Rekuperationsmoment (MR,ges) ermittelt wird.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zulässige Rekuperationsmoment (ΔMR,korr) in einer ersten Schubphase des Fahrzeugs das ermittelte zulässige Rekuperationsmoment (ΔMR,korr) gespeichert und in einer nachfolgenden Schubphase als Startwert für die Korrektur des gesamten Rekuperationsmoments (MR,ges) genutzt wird.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Modul (1) das gesamte Rekuperationsmoment (MR,ges) durch Addition des zulässigen Rekuperationsmoments (MR,zul) und des Korrekturwerts (ΔMR,korr) ermittelt.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zulässige Rekuperationsmoment (MR,zul) abhängig von verschiedenen Fahrzustandsgrößen ermittelt wird.
  6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Modul (1) mit einer Steuerelektronik zur Ansteuerung der elektrischen Maschine (13) verbunden ist.
  7. Verfahren zur Optimierung der von einer elektrischen Maschine (13) im Schubbetrieb eines Fahrzeugs erzeugten elektrischen Leistung, wobei im Rahmen des Verfahrens ein gesamtes Rekuperationsmoment (MR,ges) oder eine dazu proportionale Größe berechnet wird, auf dessen bzw. deren Basis die elektrische Maschine (13) im Generatorbetrieb betrieben wird, gekennzeichnet durch folgende Schritte: - Vergleichen des an wenigstens einem Rad des Fahrzeugs vorliegenden Radschlupfes (S) mit einem vorgegebenen Schwellenwert (SW); - Reduzieren des gesamten Rekuperationsmoments (MR,ges) um einen geringen Betrag (-ΔMR), wenn der ermittelte Radschlupf (S) kleiner ist als der vorgegebene Schwellenwert (SW); und - Erhöhen des gesamten Rekuperationsmoments (MR,ges) um einen geringen Betrag (+ΔMR), wenn der ermittelte Radschlupf (S) größer ist als der vorgegebene Schwellenwert (SW); wobei das Reduzieren oder Erhöhen des gesamten Rekuperationsmoments (MR,ges) in einem iterativen Verfahren mit mehreren aufeinanderfolgenden Iterationsschritten durchgeführt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren unterbrochen und ein anderes Rekuperationsmoment eingestellt wird, wenn ein Fahrzeug-Stabilitätsprogramm (ESP) aktiv ist.
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